一种单比特多相位时空两维随机编码的超表面结构

1.本发明涉及人工电磁超表面和电磁波调控领域，具体涉及一种可应用于微波凝视关联成像的单比特多相位时空两维随机编码的超表面结构。


背景技术：

2.新型人工电磁超材料（metamaterials）是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期或非周期排列或植入到基体材料体内（或表面）所构成的一种人工材料。电磁超材料和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替原来微观尺寸单元（原子或分子）。近些年来，为了减少体超材料的厚度和构造复杂性，单层平面结构的超表面（metasurfaces）也广泛用于调控电磁波。
3.早期的超表面结构一旦确定，超表面就具有特定的相位分布特性，这种超表面不具有相位补偿特性，只能用于一种情况下的电磁波调控。目前，通过在超表面单元上加载射频开关，使得超表面具有相位补偿特性，即一种超表面结构具有多种相位分布特性，结合fpga等控制电路可以实现电磁波的动态调控。
4.但是目前单比特二相位可数字编码调控的超表面只有0、π两种相位状态，不利于微波凝视关联成像时空两维随机辐射场的构建；而具有多种相位状态的超表面单元结构大多采用两个及以上的射频开关，结构相对比较复杂，设计难度相对比较高；因此，如何为基于超表面的微波凝视关联成像系统微波随机辐射源提供一种超表面结构是需要解决的问题。
5.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供了一种单比特多相位时空两维随机编码的超表面结构，其结构和控制相对简单，具有多种相位状态，有利于微波凝视关联成像时空两维随机辐射场的构建，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
7.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种单比特多相位时空两维随机编码的超表面结构，该超表面结构由在二维平面空间上按m行
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n列阵列结构排列设置的多个单比特二相位数字编码调控单元构成，其中，多个单比特二相位数字编码调控单元中包括不同的l类单比特二相位数字编码调控单元，l大于等于2，在m行
×
n列阵列结构中，各类单比特二相位数字编码调控单元随机排列，各单比特二相位数字编码调控单元均与现场可编程逻辑门阵列fpga通信连接，能通过现场可编程逻辑门阵列fpga提供时间维随机、相互正交的数字编码控制序列；该超表面结构能在空间电磁波的照射下，二次辐射形成单比特多相位时空两维随机编码调控的预置式随机辐射场分布。
8.与现有技术相比，本发明所提供的单比特多相位时空两维随机编码的超表面结构，其有益效果包括：
在同一超表面结构上设置l类不同的单比特二相位数字编码调控单元，l为大于等于2的自然数，每个单比特二相位数字编码调控单元都只集成一个射频开关，在数字编码的控制下能分别呈现0～2π之间等相位差的2l种不同附加相位状态，成为单比特2l相位时空两维随机编码的超表面结构，其结构相对简单，易于加工；各类单比特二相位数字编码调控单元在二维平面空间上随机排列，由现场可编程逻辑门阵列fpga为每一个单元提供时间维随机、相互正交的数字编码控制序列，在空间电磁波的照射下，二次辐射形成单比特多相位时空两维随机编码调控的能预置随机辐射场分布。
附图说明
9.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
10.图1是本发明实施例提供的单比特多相位时空两维随机编码的超表面结构的原理示意图。
11.图2是本发明实施例提供的第一类与第二类单比特数字编码调控单元结构示意图。
12.图3是本发明实施例提供的第一类与第二类单比特数字编码调控单元在数字编码的控制下分别呈现的两种相位状态示意图。
13.图4是本发明实施例提供的8
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8单比特四相位时空两维随机编码的超表面结构的空间随机排列示意图。
14.图5是本发明实施例提供的8
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8单比特四相位时空两维随机编码的超表面结构在不同编码周期四种相位随机分布的附加相位编码图案。
15.图6是本发明实施例提供的8
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8单比特四相位时空两维随机编码的超表面结构不同编码周期的随机辐射场示意图。
16.图7是本发明实施例提供的8
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8单比特四相位时空两维随机编码的超表面结构的随机辐射场的时空相关性示意图。
具体实施方式
17.下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
18.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，x和/或y表示既包括“x”或“y”的情况也包括“x和y”的三种情况。
19.术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素（如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品
等），应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
20.术语“由
……
组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
21.除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
22.术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
23.下面对本发明所提供的单比特多相位时空两维随机编码的超表面结构进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
24.如图1所示，本发明实施例提供一种单比特多相位时空两维随机编码的超表面结构，该超表面结构由在二维平面空间上按m行
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n列阵列结构排列设置的多个单比特二相位数字编码调控单元构成，其中，多个单比特二相位数字编码调控单元中包括不同的l类单比特二相位数字编码调控单元，l大于等于2，在m行
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n列阵列结构中，各类单比特二相位数字编码调控单元随机排列，各单比特二相位数字编码调控单元均与现场可编程逻辑门阵列fpga通信连接，能通过现场可编程逻辑门阵列fpga提供时间维随机、相互正交的数字编码控制序列；该超表面结构能在空间电磁波的照射下，二次辐射形成单比特多相位时空两维随机编码调控的预置式随机辐射场分布。
25.上述的超表面结构可为微波凝视关联成像提供一种设计简单、易于加工的低成本微波随机辐射源。
26.上述超表面结构中，各单比特二相位数字编码调控单元均包括从上至下的五层结构，其中，第一层为集成射频开关的矩形金属贴片；第二层为上层介质基板；第三层为金属地板；第四层为下层介质基板；第五层为直流偏置控制层；
不同类单比特二相位数字编码调控单元的第一层的集成射频开关的矩形金属贴片的尺寸不同；所述第一层的射频开关通过第一金属过孔与第三层的金属地板电性连接，具体的，该第一金属过孔穿过第二层的介质板与第三层的金属地板电性相连，通过第二金属过孔与第五层的直流偏置控制层的偏置线路电性连接，具体的，该第二金属过孔穿过第二层的介质板、第三层的金属地板和第四层的介质板与第五层的直流偏置控制层电性相连，能利用fpga所产生的数字编码控制序列-1与 1，为直流偏置控制层施加预设控制电压，控制所述第一层的射频开关的断开与闭合，使l类单比特二相位数字编码调控单元中，第一类单比特二相位数字编码调控单元呈现0、π两种附加相位状态，第二类单比特二相位数字编码调控单元呈现π/l、π/l π两种附加相位状态；第l类单比特二相位数字编码调控单元附加相位状态为(l-1)π/l、(l-1)π/l π两种附加相位状态。
27.上述超表面结构中，所述第一层集成的射频开关为pin二极管、微机电系统mems和场效应管中的任意一种。可以知道，上述的射频开关仅是优选的类型，可以集成的射频开关并不限于上述类型。
28.上述超表面结构中，各单比特二相位数字编码调控单元中，两个金属过孔的直径均为0.3mm；第一层的矩形金属贴片和第三层的金属地板均为0.035mm厚的铜箔；pin二极管的型号为m/a-com madp-000907-14020x，当二极管断开时，二极管等效为c=28ff的电容和l=30ph的电感串联，二极管开启时，二极管等效为r=7.8ω的电阻和l=30ph的电感串联；第二层与第四层的介质基板的材料均为f4b，其相对介电常数为2.65，损耗正切为0.001，第二层介质基板的厚度为1.5mm，第四层介质基板的厚度为0.5mm；各单比特二相位数字编码调控单元的尺寸为15mm
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15mm；第一类单比特二相位数字编码调控单元的第一层的矩形金属贴片的长a1=8.4mm、宽b1=7mm；第二类单比特二相位数字编码调控单元的第一层的矩形金属贴片的长a2=7.6mm、宽b2=6mm。
29.对于l类单比特二相位数字编码调控单元中的其它类单比特二相位数字编码调控单元的第一层的矩形金属贴片的尺寸，可通过cst软件（即三维电磁场仿真软件）参数扫描与优化得出。因为作为超表面单元的单比特二相位数字编码调控单元对电磁波的调控能力（相位、幅度、极化等等）与该单元的结构、各个参数有关，因此通过改变单元的参数，使得在某一频率点f处，第一类单元与第二类单元的二极管都关闭时，对电磁波的附加相位值差均为π/2（比如第一类单元是0，第二类单元是π/2），同时要保证第一类单元和第二类单元在二极管关与开的两种状态下相位值差均为π；（最终得到第一类单元0、π两种相位；第二类单元π/2，3π/2两种相位）同理，如果是l类单比特二相位数字编码调控单元，即在某一频率点f处，第一类单元与第二类单元，第二类单元与第三类单元，
……
，第l-1类单元与第l类单元在二极管断开时，对电磁波的附加相位值差均为π/l，同时要保证相邻两类单元在二极管关与开的两种状态下相位差均为π，最终得到第一类单元为0、π两种相位；第二类单元为π/l，π/l π两种相位
……
，第l类单元(l-1)π/l、(l-1)π/l π两种相位；依据上述方式通过cst软件参数扫描与
优化得出各类单比特二相位数字编码调控单元的第一层的矩形金属贴片的尺寸。
30.上述超表面结构中，在m行
×
n列阵列结构中，第l类单比特二相位数字编码调控单元在第i个数字编码周期的附加相位编码矩阵d表示为：其中，下标(m,n)表示该超表面结构排列第m行、第n列的单比特二相位数字编码调控单元，m=1,
…
,m，n=1,
…
,n，m，n 分别表示该超表面结构的单比特二相位数字编码调控单元的总行数和总列数，表示第(m,n)个单比特二相位数字编码调控单元的类型，其表示为：其中，a单元表示第一类单比特二相位数字编码调控单元；b单元表示a类第二类单比特二相位数字编码调控单元；所述的附加相位编码矩阵d为满足任意两列正交的零和随机矩阵，即：其中，表示内积操作；和分别表示附加相位编码矩阵d第i列和第j列。
31.可以知道，第一类单比特二相位数字编码调控单元与第二类单比特二相位数字编码调控单元的排列并不限于等概率随机排列。
32.可以知道，附加相位编码矩阵d优选但不限于零和随机矩阵。
33.上述超表面结构中，为超表面结构的每个单比特二相位数字编码调控单元提供时间维随机、相互正交的数字编码控制序列的fpga，在超表面结构的第i个编码周期的数字编码矩阵表示为：其中，表示第(m,n)个单比特二相位数字编码调控单元的射频开关在第i个编码周期的数字编码为-1或 1；i=1,
…
,i，i表示编码周期总数；所述超表面结构的全编码周期的数字编码矩阵h表示为：其中，超表面结构的全编码周期的数字编码矩阵h中每一列表示一个编码周期超表面结构所有单比特二相位数字编码调控单元的数字编码，每一行表示一个单比特二相位
数字编码调控单元在全编码周期的时间维数字编码控制序列；所述超表面结构的全编码周期的数字编码矩阵h为满足任意两列正交的零和随机矩阵，即：其中，表示内积操作；和分别表示数字编码矩阵h第i列和第j列。
34.上述超表面结构中，照射该超表面结构的空间电磁波的照射为垂直入射的平面电磁波，在所述fpga的数字编码控制序列控制下，该超表面结构二次辐射电磁波，所有单比特二相位数字编码调控单元的附加相位呈现单比特调控四种相位随机分布的相位编码图案，在第i个数字编码周期，所述超表面结构的附加相位编码矩阵表示为：其中，表示第(m,n)个单比特二相位数字编码调控单元在第i个编码周期对空间电磁波的附加相位，表示为：其中，code表示相应矩阵元素的码值；a单元表示第一类单比特二相位数字编码调控单元；b单元表示第二类单比特二相位数字编码调控单元；所述超表面结构的全编码周期的附加相位编码矩阵表示为：其中，超表面结构的全编码周期的附加相位编码矩阵中每一列表示一个编码周期超表面结构所有单比特二相位数字编码调控单元的附加相位，每一行表示一个单比特二相位数字编码调控单元在全编码周期的附加相位；所述超表面结构的全编码周期的附加相位编码矩阵为满足任意两列正交的随机矩阵，第i个编码周期的附加相位编码矩阵与第j个编码周期的附加相位编码矩阵的相关性系数满足：
其中，为用来计算矩阵的相关性系数的函数。
35.上述超表面结构中，在第i个编码周期，所述超表面结构的二次辐射电磁波，在观测区域形成现场编程、能预置、时空两维随机辐射场分布，其表示为：其中，表示第i个编码周期第(m,n)个单比特二相位数字编码调控单元的二次辐射源，其表示为：其中，正体j表示复数符号；t为观测时间；f为电磁波频率；、分别表示第（m,n）个单比特二相位数字编码调控单元表面在第i个编码周期对空间电磁波二次辐射场的幅度与附加相位；表示目标区域内一个位置矢量；表示第(m,n)个单比特二相位数字编码调控单元的中心位置矢量；表示第(m,n)个单比特二相位数字编码调控单元的方向图函数；表示相对于的空间方向单位矢量；c为光速。
36.上述超表面结构中，通过设置l类不同的单比特二相位数字编码调控单元，l为大于等于2的自然数，即单比特二相位数字编码调控单元包括第一类、第二类、第三类、第四类
……
等l类，在数字编码的控制下，该超表面结构能分别呈现0～2π之间等相位差的2l种不同附加相位状态，成为单比特2l相位时空两维随机编码的超表面结构。
37.综上可见，本发明实施例的超表面结构，与传统的超表面结构相比，至少具有以下优点：（1）在同一超表面结构上设置至少两类单比特二相位数字编码调控单元，每个单比特二相位数字编码调控单元都只集成一个射频开关，在数字编码的控制下能分别呈现0～2π之间等相位差的2l种不同附加相位状态，进而能设计单比特2l相位时空两维随机编码的超表面结构，其结构相对简单，易于加工。
38.（2）各类单比特二相位数字编码调控单元在二维平面空间上随机排列，由现场可编程逻辑门阵列fpga为每一个单元提供时间维随机、相互正交的数字编码控制序列，在空间电磁波的照射下，二次辐射形成单比特四相位时空两维随机编码调控的能预置随机辐射场分布。
[0039] 为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的单比特多相位时空两维随机编码的超表面结构进行详细描述。
[0040]
实施例1如图1所示，本发明实施例提供的一种单比特四相位时空两维随机编码的超表面结构的原理示意图，图1中，标号1标注的为第一类单比特二相位数字编码调控单元；标号2
标注的为第二类单比特二相位数字编码调控单元；标号3标注的为fpga；标号4标注的为发射电磁波形成时空两维随机辐射场；标号5标注的为入射电磁波。这里只考虑了单比特四相位时空两维随机编码8
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8的超表面结构；该超表面结构由集成了一个pin二极管的第一类与第二类两类单比特二相位数字编码调控单元构成，在数字编码的控制下分别呈现0、π与π/2、3π/2两种不同附加相位状态；a、b类单元在二维平面空间上随机排列，由现场可编程逻辑门阵列fpga为每一个单元提供时间维随机、相互正交的数字编码控制序列，在空间电磁波的照射下，二次辐射形成单比特四相位时空两维随机编码调控的可预置随机辐射场分布。
[0041]
图2是本发明实施例提供的第一类与第二类两类单比特二相位数字编码调控单元的结构示意图，图2中的（a）为第一类单比特二相位数字编码调控单元的结构示意图，a1为第一类单比特二相位数字编码调控单元的第一层的矩形金属贴片的长，b1为第一类单比特二相位数字编码调控单元的第一层的矩形金属贴片的宽；图2中的（b）为第二类单比特二相位数字编码调控单元的结构示意图，a2为第二类单比特二相位数字编码调控单元的第一层的矩形金属贴片的长，b2为第二类单比特二相位数字编码调控单元的第一层的矩形金属贴片的宽；图2中的（c）为一个单比特二相位数字编码调控单元的侧剖面结构示意图，11为第一层的矩形金属贴片，12为第二层的介质基板，13为第三层的金属地板，14为第四层的介质基板，15为第五层的偏置控制层，16为pin二极管；图2中的（d）为单比特二相位数字编码调控单元的二极管等效电路图。第一类单比特二相位数字编码调控单元的构成相同，包括从上至下的五层结构：第一层为集成一个为射频开关的pin二极管的矩形金属贴片，第二层为上层介质基板，第三层为金属地板，第四层为下层介质基板，第五层为直流偏置控制层；其中，pin二极管通过两个金属过孔分别连接第三层的金属地板和第五层的直流偏置控制层的偏置线路，过孔直径为0.3mm。
[0042]
矩形金属贴片和金属地板为0.035mm厚的铜箔；pin二极管的型号为m/a-com madp-000907-14020x，当二极管断开时，二极管可等效为c=28ff的电容和l=30ph的电感串联，二极管开启时，二极管可等效为r=7.8ω的电阻和l=30ph的电感串联；两层介质基板的材料均为f4b，其相对介电常数为2.65，损耗正切为0.001，上层介质基板厚度为1.5mm，下层介质基板厚度为0.5mm，单元尺寸为15mm
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15mm；第二类单比特二相位数字编码调控单元的结构与第一类单比特二相位数字编码调控单元的结构相同，但是矩形金属贴片的尺寸不同；第一类单比特二相位数字编码调控单元的第一层的矩形金属贴片的长a1=8.4mm、宽b1=7mm，而第二类单比特二相位数字编码调控单元的第一层的矩形金属贴片的长a2=7.6mm、宽b2=6mm。
[0043]
图3是本发明实施例提供的第一类与第二类两类单比特数字编码调控单元在数字编码的控制下分别呈现的两种相位状态的示意图，图3中，a单元指第一类单比特二相位数字编码调控单元；b单元指第二类单比特二相位数字编码调控单元；当pin二极管处在断开和开启两种状态下，在频率f=10.4ghz附近，第一类单比特二相位数字编码调控单元呈现0、π两种附加相位状态，第二类两类单比特数字编码调控单元呈现π/2、3π/2两种附加相位状态。需要说明的是，具体的单元结构设计可以根据具体需求利用软件仿真获得，设计人员可以根据此原则设计单比特2l相位时空两维随机编码的超表面结构。
[0044]
图4是本发明实施例提供的8
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8单比特四种相位时空两维随机编码的超表面结构
的空间随机排列示意图，图4中，a单元指第一类单比特二相位数字编码调控单元；b单元指第二类单比特二相位数字编码调控单元，其在第i个编码周期和第j个编码周期四种相位随机分布的附加相位编码图案如图5所示，图5中的（a）图案为第i个编码周期四种相位随机分布的附加相位编码图案，图5中的（b）图案为第j个编码周期四种相位随机分布的附加相位编码图案；对比两个编码周期的附加相位编码图案可以发现，第i个编码周期和第j个编码周期的附加相位编码图案互不相同，体现出本发明的单比特四相位时空两维随机编码的特点。
[0045]
通过matlab与cst联合仿真得到两个编码周期的随机辐射场分布示意图，如图6所示，图6中的（a）图案为第i个编码周期的随机辐射场分布示意图，图6中的（b）图案为第j个编码周期的随机辐射场分布示意图；两个编码周期的随机辐射场差别性很大，体现出本发明所述的通过现场可编程逻辑门阵列fpga为每个单元提供时间维随机、相互正交的数字编码控制序列，在空间电磁波的照射下，二次辐射形成单比特四相位时空两维随机编码调控的预置随机辐射场分布的能力。
[0046]
进一步通过matlab仿真得到所构建的8
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8单比特四相位时空两维随机编码的超表面结构随机辐射场的时空相关性示意，如图7所示，从图7中可以看出辐射场具有较好的时空随机性。
[0047]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。